JP2013235247A - 半導体光変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体光変調器では、高速化および大容量化に対応するにつれて、電極配線が肥大化し複雑化することが大きな問題となっていた。単一電極が可能な容量装荷型の構成であっても、電極構成の複雑化問題は避けられなかった。また、光変調動作における光吸収および非線形な応答特性も問題であった。ＦＫ効果およびＱＣＳＥに関係する駆動電圧に対する屈折率の非線形応答の問題や、クラマス・クローニッヒの関係に起因するアーム導波路間の光強度アンバランスが、線形応答性、光信号品質の劣化を招いていた。
【解決手段】本発明の半導体変調素子では、（１１０）面基板上で、所定の方向に半絶縁性コア層を有するＭＺ型光変調導波路を形成する。導波路メサ両側面をｎ型のクラッド層およびコンタクト層で埋め込む。簡単な構造のＧ−Ｓ−Ｇ配線からなる単一の電極をＭＺ導波路アーム間の中央に形成する。光吸収を伴わないポッケルス効果によって屈折率を変化させることで、コプレーナ型ＭＺ型光変調器をプッシュ・プル変調駆動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、本発明は半導体光変調素子に関する。より詳細には、簡易なＧ−Ｓ−Ｇコプレーナ型の単一の信号電極構造を用いた半導体光変調素子に関する。

高速大容量光通信システムに使用されるトランスミッタは、通常、レーザダイオード（ＬＤ）光源と外部変調器とを組み合わせて光信号を発生させる方式を取る。この種の目的に使用される典型的な外部変調器は、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）導波路で製作されるＬＮ変調器である。電気光学効果による屈折率の変調がその動作の基本であり、単純な光位相変調器のほかに、マッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉計を組んだ光強度変調器（ＭＺ光変調器）などがある。さらに、ＭＺ光変調器を並列に多段化して入れ子型に集積した変調器によって、６４ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等の多値光変調をはじめ、光周波数変調等の高度な変調方式が開発されている。

近年、光信号の高速化および大容量化を背景として、小型化の容易性や低ドリフト動作の面でＬＮ光変調器よりも有利な半導体光変調器が注目されている。特にＬＤと同一材料で作製可能な半導体光変調器は、大容量集積素子を小型かつモノリシックに集積できる点で優れている。

半導体光変調器の構造としては、ヘテロｐｉｎ接合を用いて光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加される様にした、ｐｉｎ形のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器が提案されている。また、さらなる低電圧駆動の光変調器を実現すべく両方のＩｎＰクラッド層をｎ型とし、電子電流を抑制するためのバリア層として薄いｐ型半導体の層（ｐ型のバリア層）を挿入した、ｎｐｉｎ形の半導体光変調器も提案されている（例えば、特許文献１）。

上述のｐｉｎ形やｎｐｉｎ形の半導体光変調器においては、一次の電気光学効果（ポッケルス効果）の他に、半導体特有の効果を利用している。例えば、フランツ・ケルディッシュ効果（ＦＫ効果）、さらにコア部分を多重量子井戸構造にしたことによる量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を同時に用いることで、非常に高効率な光変調動作が可能となっている。また、さらに高効率な光変調動作を実現するため、光導波路層のバンド吸収端と伝搬光波長とを近づけることによって、ＦＫ効果およびＱＣＳＥによる屈折率変化を増大させている。

上述のように半導体光変調器では、高い変調効率を得るためにｐｎ接合やＱＣＳＥといった半導体特有の効果を用いている。そのため、半導体光変調器では、ＬＮ光変調器などの絶縁体を用いる光変調素子とは異なる導波路構造や電極構造を採用している。一般に、ＩｎＰ等の化合物半導体の多くは、（１００）面方位またはそれと等価な面方位の基板上に光デバイスを作製する。このため、半導体ＭＺ光変調器を高速にプッシュ・プル動作させる場合に、デュアル電極駆動が主流となっており、２つのＭＺアームにそれぞれ設けられたＲＦ電極に対して、２つの差動出力形式の電気信号をそれぞれ入力する（特許文献１）。その他の駆動方法として、容量装荷型の電極構造を採用することによって、単一のＲＦ電極のみでプッシュ・プル駆動を実現することもできる（特許文献２）。

特開２００６−１７１３６９号公報 特開２００６−０６５０８５号公報

しかし、これら半導体特有の駆動方法および電極構造等は、大容量化に向けた集積光デバイス実現するにあたって、（１）電極配線の肥大化および複雑化と、（２）光変調動作における光吸収および非線形な応答特性が課題となっている。

図１は、２並列入れ子型ＭＺ集積光変調素子をデュアル電極により駆動させる場合の構成を示す図である。第１の課題は、光デバイス集積化に伴う電極配線の肥大・複雑化である。図１のＭＺ集積光変調素子１０（Dual parallel MZ modulators： ＤＰＭＺＭｓ）では、デュアル電極のための電極配線は、主に簡単な構造であるグランド−シグナル−グランド（Ｇ−Ｓ−Ｇ）型のコプレーナ配線が用いられる。デュアル電極型の光変調素子においては、一組のＭＺ導波路２、３に対して上下アームそれぞれに高周波配線を設ける必要がある。すなわち、ＭＺ導波路２に対して高周波配線１ａ、１ｂが、ＭＺ導波路３に対して高周波配線２ａ、２ｂが必要となる。このため、ＤＰＭＺＭｓの場合には、合計４本の高周波配線が必要となる。さらに、これら電極配線は等長である必要が望ましい。結果として、電極配線の面積が肥大化してしまい、光変調素子のサイズが大きくなってしまう。この電極配線の肥大化および複雑化の問題は、２並列入れ子型よりもさらに複雑な並列入れ子型ＭＺを作製する際に、より一層顕著となる。光デバイスの集積化には大きな障害となる。

一方、上述のように一組のＭＺ導波路に対して、１本の高周波配線で駆動可能な単一電極型の半導体光変調器も実現されている。この場合、デュアル電極型の構成と比べて半分の数の高周波配線で変調駆動が可能となる。さらに配線の等長化の条件も緩和されるため、不要な電極配線の肥大化は回避できる。しかしながら、単一電極型の構成を半導体光変調器に適応させるためには、電気的な素子容量の低減が求められる。

図２は、２並列入れ子型のＭＺ集積光変調素子を容量装荷型の電極により駆動させる場合の構成を示す図である。本構成では、デュアル電極型の構成の場合のＧ−Ｓ−Ｇ型コプレーナ配線ではなく、図２に示すように、容量装荷型の電極配線が用いられる。しかしながら、容量装荷型の電極配線であっても、不要に素子長が長くなり、電極設計が複雑化する等といった問題を有している。容量装荷型の電極配線でも、デュアル電極型の場合同様に、電極配線の肥大・複雑化は光デバイスの集積化の課題となる。

第２の課題は、光変調動作における光吸収及び非線形応答特性である。上述した通り、半導体光変調器においては高効率な光変調動作を実現させるために、ＦＫ効果やＱＣＳＥといった量子効果を、バンド吸収端付近で用いている。このため、変調特性に波長依存性が顕著となる。

図３は、従来技術のＭＺ半導体光変調器における駆動電圧と光消光比との関係を示す図である。ＦＫ効果やＱＣＳＥの量子効果を、バンド吸収端付近で用いることによって、図３に示すように、光消光比の最小値を生じさせる駆動電圧値は、波長によって異なり、変調特性の波長依存性が顕著となる。さらには、クラマス・クローニッヒの関係式より、屈折率変化量の増大に伴って、伝搬光の光吸収量を増大させてしまう。その結果、ＭＺ干渉計の各アーム間の光強度がアンバランスとなり、光変調器における消光比等の光変調特性を劣化させる要因ともなる。

図５は、半導体光変調器で利用される半導体に特有の効果の特徴を比較した図である。図５に示した各量子効果の比較のように、ＦＫ効果およびＱＣＳＥは電界強度の２乗に比例して屈折率が変化し、屈折率は駆動電圧に対して非線形に応答する。このため、光電変換における線形応答性が悪くなり、結果として光信号品質の劣化を招く恐れがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、光信号の大容量化および光集積の大規模化に適応することができる、より小型で低ドリフト・高速な半導体ＭＺ光変調素子を簡単な構造によって実現することを目的とする。

本発明は、このような課題を解決するために、請求項１の発明は、閃亜鉛鉱形半導体結晶基板の（１１０）面と等価な基板上の

に形成されたアーム導波路を有する少なくとも１つのマッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉計を含む光変調素子において、前記アーム導波路のコアに屈折率変化を生じさせる単一の信号電極を備えたことを特徴とする半導体光変調素子である。上記のアーム導波路を形成する方向は、等価な結晶方向も含む。

請求項２の発明は、請求項１の半導体変調素子であって、前記信号電極によって電界が加えられる電界印加領域の半導体コア層は、絶縁または半絶縁性であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の半導体変調素子であって、前記信号電極によって電界が加えられる電界印加領域の半導体コア層は、少なくとも第１のｎ型クラッド層および第２のｎ型クラッド層によって埋め込まれているか、または、少なくともｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によって埋め込まれていることを特徴とすることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の半導体変調素子であって、前記単一の電極は、前記ＭＺ干渉計の２つのアーム導波路の内側に形成されたコプレーナ線路であり、前記基板面上で、前記コア層を挟んで接地電極と対向しており、前記コアは、前記コプレーナ線路の電極と前記接地電極との間に、前記コア層を囲むように形成された絶縁バッファ層を備え、前記バッファ層を介して前記単一の電極および前記接地電極と接続されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の半導体変調素子であって、前記単一の電極は、進行波型電極に集中定数型電極を付加した容量装荷型電極構造を持つことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１の半導体変調素子であって、前記単一の信号電極は、並走する前記アーム導波路の中央部に配置され、前記アーム導波路の両側に配置された２つのアース電極とともにグランド−シグナル−グランド（Ｇ−Ｓ−Ｇ）コプレーナ型導波路を形成することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６いずれかの半導体変調素子であって、前記単一の電極および前記アース電極によって、プッシュ・プル変調駆動が行われることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至７いずれかの半導体変調素子であって、前記コアは、積層方向の高さよりも、前記基板に平行な水平方向の幅の方が大きい構成であることを特徴とする。

本発明によって、ＭＺ光変調器をＧ−Ｓ−Ｇコプレーナ回路上の単一の電極のみによってプッシュ・プル変調駆動させることができる。簡単な電極構造によって、高速・広帯域動作であって、かつ、高消光比でゼロチャープ駆動ができる、高精度な変調が半導体光変調素子を実現できる。従来技術で、多値化された変調方式に対応する直交変調器として用いられてきたＬＮ光変調器と同程度の高消光比および非常に低いチャープ動作等を維持しながら、ＬＮ光変調器以上に、より小型で低ドリフト・高速動作が可能な半導体光変調素子を提供することができる。

図１は、２並列入れ子型ＭＺ集積光変調素子をデュアル電極により駆動させる場合の構成を示す図である。 図２は、２並列入れ子型ＭＺ集積光変調素子を容量装荷型の電極により駆動させる場合の構成を示す図である。 図３は、ＭＺ半導体光変調器における駆動電圧と消光比との関係を示す図である。 図４は、本発明の実施例１の半導体光変調器の構成を示す図である。 図５は、半導体光変調器で利用される特有の効果を比較した図である。 図６は、本発明の実施例２の半導体光変調器の構成を示す図である。 図７は、本発明の実施例３の半導体光変調器の構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書および図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すとする。

本発明の半導体光変調器は、高速で高消光比かつゼロチャープ駆動が可能な半導体マッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉型光変調素子を実現する。（１１０）面基板上の

にプレーナ型の光変調導波路を作製し、並走する光変調導波路アーム間の中央に単一の信号電極を設ける。単一の信号電極に、基板面と平行な水平方向へ電界を印加することにより、マッハ・ツェンダー干渉型光変調器をプッシュ・プル変調駆動させる。光変調導波路アームを作製する方向は、等価な結晶方向も含む。

図４は、本発明の第１の実施例の半導体光変調器の構成を示す図である。（ａ）は、変調器４０を構成する基板を見た上面図であり、（ｂ）は、上面図の左側（ＣＷ側）から見たｂ―ｂ´線における断面図である。変調器４０は、ＣＷが入力される入力導波路と変調光が出力される出力導波路を持ち、２つのＭＭＩカプラ４８ａ、４８ｂの間にアーム導波路が形成されている。本発明の第１の実施例に係る半導体変調器４０では、（１１０）面基板４７上の

に半絶縁性（ＳＩ：Semi-Insulating）コア層を有するＭＺ型光変調導波路４４ａ、４４ｂを形成した後で、導波路メサ両側面をｎ型のクラッド層４６およびコンタクト層４３で埋め込む。さらに、接地電極４２ａ、４２ｂをはさんだ簡単な構造のＧ−Ｓ−Ｇ配線からなる単一の電極４１をＭＺ型光変調導波路４４ａ、４４ｂアーム間の中央に形成する。光吸収を伴わないポッケルス効果によって屈折率を変化させることで、コプレーナ型ＭＺ型光変調器をプッシュ・プル変調駆動する。

図６は、本発明の第２の実施例の半導体光変調器の構成を示す図である。（ａ）は、変調器６０を構成する基板を見た上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の左側から見たｂ―ｂ´線における断面図である。本発明の第２の実施例に係る半導体光変調器では、（１１０）面基板６７上の

にノンドープコア層を有するＭＺ型光変調導波路６４ａ、６４ｂを形成した後で、導波路メサ側面を図６に示すようにｎ型のクラッド層６６およびｐ型のクラッド層６９ならびにコンタクト層６５で埋め込む。第１の実施例と同様に、単一の信号電極６１によってプッシュ・プル変調駆動する。ＭＺ型光変調導波路を作製する方向は、等価な結晶方向も含む。以下、本発明の半導体光変調器の各実施例の構成について図面を用いてより詳しく説明する。

ＩｎＰ等の閃亜鉛鉱構造結晶の場合、電界を［００１］方向へ印加することで、

ならびに

のコアの屈折率が、ポッケルス効果によって変化することが知られている。

図５は、半導体光変調器で利用される特有の効果を比較した図である。ポッケルス効果とは、結晶構造に起因した屈折率変化を利用する一次の電気光学効果である。したがって、ＦＫ効果やＱＣＳＥとは異なり、ポッケルス効果では、下の式（１）に示すように屈折率変化の増減が電界方向に依存し、電界がベクトル成分を有するという特徴がある。

上式で、ｎ_０は 結晶屈折率であり、ｒ_４１はポッケルス定数（ここに単位）である。

特許文献１、２に開示された発明では、（１００）基板上の

に光導波路を形成し、基板に垂直な方向である［００１］方向（［１００］方向と等価）に電圧を印加することで、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を利用している。一方で基板に平行な方向（水平方向）へ電圧を印加して上述のポッケルス効果に起因した屈折率変化を得ようとする場合、従来用いられてきた（１００）基板上では、どのような方向に光導波路ストライプを形成しても、ＴＥ偏波またはＴＭ偏波に対してポッケルス効果による屈折率変化は生じない。

これに対し、本発明の半導体光変調器では、図４および図６にそれぞれ示したように、（１００）面基板ではなく、（１１０）面基板上にコプレーナ型光変調器４０、６０を形成する。本発明の構成の場合には、単一の電極４１、６１のみによって、

（図４で、基板に平行な水平方向４５）へ電界を印加できる。この結果、

に電界成分を有する伝搬光（（１１０）基板を使用する場合はＴＭ偏波光）に対して、位相変調が加えられる。

本発明の半導体光変調器では、ＭＺ干渉計の両アームのコア層４４ａ、４４ｂ（６４ａ、６４ｂ）の幅が等しい場合には、それぞれのアームに対して互いに逆相であってかつ変化量の絶対値が等しい位相変調を加えることが可能となる。すなわち、ゼロチャープのプッシュ・プル変調駆動が可能となる。特に、ポッケルス効果は電圧印加に起因した光吸収が生じないため、従来技術と比べて変調効率の波長依存性が小さく、広い波長範囲で広帯域動作が可能である。

また本発明の半導体光変調器では、積層方向の高さよりも水平方向の幅の方が大きいコア層に対して横方向から電圧を印加する構成となっており、基板垂直方向から電圧を印加する場合に比べて、デバイスのキャパシタンス容量成分が低減される。このため、本発明の半導体光変調器は、従来技術の構成に比べて、デバイスの高速動作にも適した構造である。

（１００）面基板ではなく（１１１）面基板を用いて、メサ構造の導波路に対して基板に平行な水平方向へ電界を印加したとしても、本発明の（１１０）面基板を使用する場合以上に、屈折率変化を得ることができない。基板水平方向への電圧印加で位相変調を行う場合には、（１１０）面基板上の

に導波路ストライプを形成した場合に最大の屈折率変化が得られる。以下、本発明の半導体光変調器のより具体的な実施例について、詳細に述べる。

図４は、本発明の実施例１の半導体光変調器の構成を示す図である。本実施例では、基板４７と平行な水平方向にｎ型のクラッド層４６およびＳＩ層４４ａからなるｎ−ＳＩ−ｎ構造を形成している。結晶成長は，結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行い、基板結晶は（１１０） 面方位の半絶縁性（ＳＩ）基板を用いる。なお、（１１０）面基板では基板表面にＩＩＩ族原子およびＶ族原子が均等に露出しており、これが結晶成長における表面モホロジーの劣化を引き起こすと言われている。本実施例においては、（１１０）面から（１１１）Ｂ面方向へ３°傾けた基板を用いた。これによって、基板表面におけるＶ族原子の割合を増やし、表面モホロジーの良好な結晶成長膜を得た。

コア層４４ａ、４４ｂのバンドギャップ波長は、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように決定した。例えば、１．５５μｍ帯の光変調デバイスとする場合には、コア層を発光波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によって形成する。１．２μｍの波長領域で吸収の生じない、発光波長が１．５μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ等を用いても問題ない。

光変調領域におけるバルクのコア層は、少なくとも駆動電圧範囲内において耐圧が確保されるように１×１０^４Ω・ｃｍ以上の抵抗値が確保できるように電子トラップ濃度の下限を設定する。同時に、直流から４０ＧＨｚの変調周波数範囲で、ＳＩコア層４４ａ、４４ｂの中心付近においても電圧降下が生じるように電子トラップ濃度の上限を設定する。半導体中の電子濃度を低く設定した場合（例えば電子濃度：１×１０^１５ｃｍ^−３）、上述の上限および下限の範囲を満足する電子トラップ濃度としては、例えば５×１０^１５ｃｍ^−３以上２×１０^１６ｃｍ^−３未満の範囲となる。なお、ＭＯＶＰＥ装置において寄生的に生成される不純物キャリア（電子濃度）は通常１×１０^１５ｃｍ^−３から１×１０^１６ｃｍ^−３程度と一様に定まらない。寄生的な不純物キャリアのため、上述の上限および下限の範囲を満足する電子トラップ濃度も５×１０^１５ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３未満程度の範囲で変動する。しかしながら、本発明特有の単一電極による簡単な構成および高速・広帯域動作などの特徴は失われない。

バルクのコア層以外にも、例えば量子井戸構造や量子ドット構造のコア層を用いたとしても本発明特有の有用性は失われない。また、上述の上限および下限の範囲の要求を満たす、例えば、発光波長が１．１μｍ〜１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いても良い。

ＳＩコア層４４ａ、４４ｂを、例えばコア層厚さが０．６μｍ堆積した後、光変調素子を光導波路として機能させために、例えばＳｉＯ_２マスクを用いてドライエッチングによりＳＩ−ＩｎＰ基板が露出するまでエッチング加工し、例えばコア幅が２．０μｍのメサ構造を作製する。ここで、ＳｉＯ_２マスクは、

に光導波路を形成するものである。

光変調領域におけるコア層４４ａ、４４ｂの両側面には、結晶再成長によって、コア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する例えばｎ型ＩｎＰなどのクラッド層４６およびｎ型ＩｎＧａＡｓなどの電極コンタクト層４３が形成される。これらクラッド層のドーピング濃度は、コア層４４ａ、４４ｂにおいて効率良く電圧降下が生じるように５×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。例えば、ｎ型ＩｎＰクラッド層４６のドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層４３のドーピング濃度を５×１０^１８ｃｍ^−３とした。上述のｎ型ＩｎＰなどのクラッド層４６は、これに限られず、図４の（ｂ）に示したように横方向４５のように電界が印加できるのであれば、絶縁体などであっても良い。

また、電気的絶縁を確保するために、光変調が行われる領域以外のｎ型クラッド層４６およびコンタクト層４３を、ドライエッチングにより除去する。望ましくは、除去された領域に、コア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する例えばＳＩ−ＩｎＰなどのクラッド層を再び結晶再成長によって形成する。

電極コンタクト用に積層される層は、十分な導電性が確保できれば良い。したがって、n型不純物がドーピングされる半導体は、上述のＩｎＧａＡｓだけに限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰなどを用いても良い。

上述のｎ−ＳＩ−ｎ構造を形成した後、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層４３上に例えばＴｉを介したＡｕ電極を形成する。光変調素子に用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型または共振型の電極構造でも良い。

ＳＩコア層４４ａ、４４ｂを光電子導波路として機能させるために、図４の（ａ）に示すように、例えば２つのＭＭＩカプラ４８ａ、４８ｂを搭載したＭＺ導波路構造として、信号電極４１にＲＦ電気信号を入力する。光導波路へはＴＭ偏波の連続（ＣＷ）光を入射させる。前述の通りｎ−ＳＩ−ｎ構造はｐｉｎ構造等とは異なり、正電圧または負電圧の何れを印加した場合でも、ＳＩ層において電圧降下が生じる。単一の信号電極４１によって、２つのＭＺアーム導波路にはそれぞれ逆方向の電界が印加される。このため、電界方向に依存して屈折率の増減が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）によりＭＺ光変調器として駆動させることで、単一電極４１によるゼロチャープ駆動のプッシュ・プル変調動作が可能となる。

このように本発明によれば、ＩｎＰ（１１０）面基板上の積層方向に垂直な水平方向にｎ−ＳＩ−ｎ構造が形成されたＧ−Ｓ−Ｇコプレーナ型ＭＺ光変調器を作製し、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を用いて光変調動作を行うことで、単一電極駆動のプッシュ・プル光変調が可能となる。

ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は閃亜鉛鉱型結晶であり、本実施例で用いた（１１０）面基板以外にも等価な面を有する面方位（例えば（０１１）面など）基板を用いることができる。この場合においても、上述したｎ−ＳＩ−ｎ構造（ＳＩ：Semi Insulation）の特徴が損なわれることはない。

ここで基板材料はＩｎＰ以外にも、同構造を有する例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いることができる。本実施例においては、１．５５μｍ波長帯に対応する光変調素子を用いたが、１．３μｍ波長帯に対応するものを用いても良い。また、例えばＧａＡｓを用いれば、０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応できる。

図６は、本発明の実施例２の半導体光変調器の構成を示す図である。（ａ）は、変調器６０を構成する基板６７面の上方から見た上面図であり、（ｂ）は、上面図のｂ―ｂ´線における断面図である。本実施例では、基板６７と平行な水平方向にｐ−ｉ−ｎ構造を形成している。結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行い、基板結晶は（１１０） 面方位の半絶縁性（ＳＩ）基板を用いた。（１１０）面基板では基板表面にＩＩＩ族原子及びＶ族原子が均等に露出しており、これが結晶成長における表面モホロジーの劣化を引き起こすと言われている。本実施例においては、（１１０）面から（１１１）Ｂ面方向へ３°傾けた基板を用いる。これによって、基板表面におけるＶ族原子の割合を増やし、表面モホロジーの良好な結晶成長膜を得た。

コア層６４ａ、６４ｂのバンドギャップ波長は、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように決定した。例えば，１．５５μｍ帯の光変調デバイスとする場合には、コア層を発光波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によって形成した。１．２μｍの波長領域で吸収の生じない、発光波長が１．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ等を用いても問題ない。
光変調領域におけるコア層はノンドープ層であり、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように、コア層のバンドギャップ波長および構造を決定した。例えば１．５５μｍ帯の光変調デバイスとする場合、コア層を発光波長が１．２μｍとなるようなバルクのＩｎＧａＡｓＰとする。なお、バルクのコア層以外にも例えば量子井戸構造または量子ドット構造のコア層を用いたとしても、本発明特有の単一電極による簡単な構成および高速・広帯域動作などの特徴および有用性は失われない。また、上述の電気光学効果と光吸収の条件を満たす例えば、発光波長が１．１μｍ〜１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓを用いることもできる。

コア層を例えば厚さが０．６μｍ堆積させた後、光変調素子を光導波路として機能させるために、例えばＳｉＯ_２マスクを用いてドライエッチングによりＳＩ−ＩｎＰ基板６７が露出するまでエッチング加工し、例えばコア幅が２．０μｍのメサ構造を作製する。ここで、ＳｉＯ_２マスクは、

に光導波路を形成するものである。

光変調領域におけるコア層６４ａ、６４ｂの両側面には、結晶再成長によって、コア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する例えばｐ型ＩｎＰなどのクラッド層６９、およびｐ型ＩｎＧａＡｓなどの電極コンタクト層６５を形成する。これらクラッド層６９のドーピング濃度は、コア層で効率良く電圧降下が生じるように、５×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。例えば、ｐ型ＩｎＰクラッド層６９のドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層６５のドーピング濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３とした。

さらに、ＭＺアーム間の中央に埋め込まれた上述のｐ型層６５、６９が形成される領域を除いたＭＺアームの外側の領域のｐ型半導体層を、ドライエッチング加工により除去した後、ｎ型ＩｎＰなどのクラッド層６６、およびｎ型ＩｎＧａＡｓなどの電極コンタクト層６３を結晶再成長によって形成する。これらクラッド層６６のドーピング濃度も、ｐ型ＩｎＰクラッド層６９と同様に、コア層で効率良く電圧降下が生じるように５×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。例えば、ｎ型ＩｎＰクラッド層６６のドーピング濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３とし、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層６５のドーピング濃度を５×１０^１８ｃｍ^−３とした。上述のｎ型ＩｎＰなどのクラッド層６６は、これに限られず、図６の（ｂ）コア層６４ａ、６４ｂにおいて横方向の電界が印加できるのであれば、絶縁体などであっても良い。

また、電気的絶縁を確保するために、光変調が行われる領域以外のｎ型クラッド層６６およびコンタクト層６３を、ドライエッチングにより除去する。望ましくは、除去された領域に、コア層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する例えばＳＩ−ＩｎＰなどのクラッド層を再び結晶再成長によって形成する。
電極コンタクト用に積層される層は、十分な伝導性が確保できれば良い。したがって、ｐ型不純物またはｎ型不純物がドーピングされる半導体は、上述のＩｎＧａＡｓに限定されず、例えばＩｎＧａＡｓＰなどを用いても良い。

上述のｐｉｎ構造を形成した後、ｎ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層６３、およびｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層６５上に例えばＴｉを介したＡｕ電極を形成する。光変調素子に用いられる信号電極は進行波型電極構造であることが望ましいが、この他にも例えば集中定数型または共振型の電極構造であっても良い。

コア層を光電子導波路として機能させるために、図６の（ａ）に示すように、例えば２つのＭＭＩカプラ６８ａ、６８ｂを搭載したＭＺ導波路構造として、信号電極６１にＲＦ電気信号を入力する。光導波路へはＴＭ偏波の連続（ＣＷ）光を入射させる。本実施例のｐｉｎ構造では、逆バイアス電圧を印加することでコア層に高電界が印加されるため、電極Ａには負電圧のバイアス印加の下で変調電気信号を入力させる。２つのＭＺアーム導波路にはそれぞれ逆方向の電界が信号電極Ａによって印加されるため、電界方向に依存して屈折率の増減が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）によりＭＺ光変調器として駆動させることで、単一の電極６１によるゼロチャープ駆動のプッシュ・プル変調動作が可能となる。

このように本発明によれば、ＩｎＰ（１１０）面基板上の積層方向に垂直な水平方向にｐｉｎ構造が形成されたＧ−Ｓ−Ｇコプレーナ型ＭＺ光変調器を作製し、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を用いて光変調動作を行うことで、単一電極駆動によるプッシュ・プル光変調が可能となる。

ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は閃亜鉛鉱型結晶であり、本実施例で用いた（１１０）面基板以外にも等価な面を有する面方位（例えば（０１１）面など）基板を用いることができる。この場合においても、上述したｐｉｎ構造の特徴が損なわれることはない。

ここで基板材料は、上述のＩｎＰ以外にも、同構造を有する例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いることができる。本実施例においては、１．５５μｍ波長帯に対応する光変調素子を用いたが、１．３μｍ波長帯に対応するものを用いても良い。また、例えばＧａＡｓを用いれば、０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応できる。

上述の実施例１、実施例２の光変調器においては、コア層として、キャリアドープ半導体を使用していた。しかしながらキャリアドープされていない真性半導体を使用して、実施例１、２と同様の特徴を持つ光変調器を構成することもできる。すなわち、本実施例の光変調器（光変調素子）は、閃亜鉛鉱形半導体結晶基板の（１１０）面と等価な基板上の

に形成されたアーム導波路を有する少なくとも１つのマッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉計を含む光変調素子において、このアーム導波路のコアに屈折率変化を生じさせる単一の信号電極を備えている。さらに、前記単一の電極は、前記ＭＺ干渉計の２つのアーム導波路の内側に形成されたコプレーナ線路であって、前記基板面上で、前記コア層を挟んで接地電極と対向しており、前記コアは、前記コプレーナ線路の電極と前記接地電極との間に、前記コア層を囲むように形成された絶縁バッファ層を備え、前記バッファ層を介して前記単一の電極および前記接地電極と接続されている。

図７は、本発明の実施例３の半導体光変調器の構成を示す図である。図７の（ａ）は、本実施例の変調器７０を基板面の上方から見た上面図であり、図７の（ｂ）は上面図の左側（入力側）から光の進行方向を見たａ−ａ´線における断面図である。変調器７０は、ＣＷが入力される入力導波路と変調光が出力される出力導波路を持ち、２つのＭＭＩカプラ７７ａ、７７ｂの間にアーム導波路７６が形成されている。

本実施例の光変調器では、進行波電極であるコプレーナ線路７２の各領域に、集中定数型の容量を与える容量付加電極７５ａ、７５ｂを付加した容量装荷型電極を採用している。後に図７の（ｂ）とともに詳細に説明するが、本実施例の光変調器７０では、（１１０）基板上に形成されたＭＺ光導波路の各アーム導波路７６に対して基板に平行な方向（水平方向）へ電界が印加されるように、容量付加電極７５ａ、７５ｂおよび接地電極７１ａ、７１ｂが絶縁膜を介して接続されていることを特徴とする。従来技術の容量装荷型光変調器（例えば特許文献２）と比べて、より簡単な光導波路の構造によって容量装荷型光変調器を構成することができる。さらに次に述べる２つの理由から、電気的および光学的反射点を減らすことができる。この結果、従来技術の容量装荷型光変調器の構成と比べて、さらに高速な変調動作が可能となる。

第１に、コプレーナ線路７２に対する電極パッド７３、７４をＭＺアーム導波路７６の２つの導波路間の領域内に設けることによって、高速の変調信号が印加される高周波線路であるコプレーナ線路７２と、光導波路７６とが交差するのを回避できる。

第２に、Ｇ−Ｓ−Ｇコプレーナ線路からＧ−Ｓスロットライン線路への線路切替が不要となる。従来技術の（１００）基板上に形成される容量装荷型の電極を採用した場合では、上述の線路形態の切替が必要であった。

本実施例の光変調器の作製において、結晶成長は、結晶再成長プロセスに適した有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって行い、基板結晶は（１１０） 面方位の半絶縁性（ＳＩ）基板８２を用いる。なお、（１１０）面基板では基板表面にＩＩＩ族原子及びＶ族原子が均等に露出しており、これが結晶成長における表面モホロジーの劣化を引き起こすといわれている。本実施においては、（１１０）面から（１１１）Ｂ面方向へ３°傾けた基板を用いた。これによって、基板表面におけるＶ族原子の割合を増やし、表面モホロジーの良好な結晶成長膜を得た。

ＭＺアーム導波路７６のコア層８０ａ、８０ｂのバンドギャップ波長は、動作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないように決定した。例えば、１．５５μｍ帯の光変調デバイスとする場合には、発光波長が１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰ層によってコア層を形成する。１．２μｍ波長領域で吸収の生じない、発光波長が１．４μｍ以下のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ等を、コア層に用いても何ら問題はない。

本実施例の光変調器においては、光変調領域におけるコア層はノンドープ層である。したがって、本実施例におけるコア層は、真性（ノンドープ）半導体で構成され、ｉ―コア層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）とも言う。この点で、キャリアドープ半導体を使用していた実施例１および実施例２と相違している。ｉ―コア層において効率的に電界が印加されるように、ｉ―コア層内の電子濃度は例えば１×１０^１６ｃｍ^−３以下とすることが望ましい。コア層内の電子濃度を１×１０^１６ｃｍ^−３以上とした場合においても、変調効率はやや低下する。しかしながら、簡単な電極構造によって、高速・広帯域動作であって、かつ、高消光比でゼロチャープ駆動ができる高精度な変調が可能となる本発明の有用性は失われない。

また、動作作光波長で電気光学効果が有効に作用しかつ光吸収が問題とならないようにコア層のバンドギャップ波長や構造を決定した。例えば１．５５μｍ帯で動作する光変調器とする場合には、コア層は発光波長が１．２μｍとなるようなバルクのＩｎＧａＡｓＰとした。なお、バルクのコア層以外にも、例えば量子井戸構造や量子ドット構造のコア層を用いたとしても、上述の本発明の有用性は失われない。また、他のコア層の構造例として、発光波長が１．１μｍ〜１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓを用いたとしても本発明の有用性は失われない。

図７の（ｂ）に示したように、ＳＩ−ＩｎＰ基板８２上に、ノンドープ半導体を使用したｉ−クラッド層を形成した後で、上述のようなｉ−コア層を、例えばコア層厚さが０．６μｍまで堆積させる。次に、光変調素子を光導波路として機能させるために、例えばＳｉＯ_２マスクを用いてドライエッチングによりＳＩ−ＩｎＰ基板８２が露出するまでエッチング加工し、メサ構造（例えばコア幅が１．６μｍ）を作製する。ここで、ＳｉＯ_２マスクは、

に光導波路を形成するものである。

ｉ―コア層８０ａ、８０ｂを形成後、光学的なバッファ層７８としてＳｉＯ_２膜（例えば、膜厚０．２μｍ）をウエハ全体にさらに形成する。最後に、例えばＴｉを介したＡｕ電極を形成する。電極パターンは図７の（ａ）に示したような容量装荷型とし、信号線路の特性インピーダンスＺｏが５０Ωとなるように設計する。ここで伝送線路を無損失とした場合には、特性インピーダンスＺｏは次式で表される。

式（２）に基づいて、容量付加電極７５ａ、７５ｂによって容量Ｃを調整して、電極部全体の特性インピーダンスＺｏが５０Ωとなるよう設計を行う。

本実施例では、コプレーナ線路７２のみが存在するときの特性インピーダンスを７０Ωに設計し、さらに容量付加電極７５ａ、７５ｂを付加することによって特性インピーダンスが５０Ωとなるように設計した。具体的には、コプレーナ信号線路７２の電極幅を３０μｍ、電極厚を２μｍおよび信号線路−接地電極間隔を６０μｍとした。さらに、各々の容量付加電極７５ａ、７５ｂについては、例えば電極長Ｔを１５０μｍ、直列に隣り合う電極間隔ｇを３０μｍ、電極幅を２μｍとした。なお、電極パターン設計は上記の数値例だけに限定されない。例えばコプレーナ線路の特性インピーダンスＺｏを６０Ωとした場合にも、容量付加電極の長さＴや間隔ｇを適宜調整することによって５０Ωに合わせることができる。

次に、図７の（ｂ）を参照しながら、本実施例の光変調器の断面構造についてさらに説明する。ＳＩコア層を光電子導波路として機能させるために、図７の（ｂ）に示すような断面のメサ構造を含むＭＺ導波路を構成する。（ａ）に示したように、ＭＺ導波路は、２つのＭＭＩカプラ７７ａ、７７ｂの間のＭＺアーム導波路のコア層８０ａ、８０ｂで構成されている。コプレーナ線路７２に対しては、その両端の信号電極パッド７３、７４に、ＲＦ電気信号を入力する。光導波路に対しては、一方の端部（例えば、左端部の入射導波路）から、ＴＭ偏波の連続（ＣＷ）光を入射させる。

本実施例において、のｉ−コア層８０ａ、８０ｂにおいては、信号電極の容量付加電極７５ａと対向する接地電極７１ａとの間で、光バッファ層７８を介して、基板面と平行な方向に電界が印加される。バッファ層７８は、上記の２つの電極７１ａ、７５ａ間に高抵抗のＳｉＯ_２層を挿入して、電極間に電流を流さないようにする。これによって、ｉ−コア層８０ａの基板面と平行な方向に電界が生じる。この際、バッファ層７８の厚さは、バッファ層内で過度の電圧効果が生じて、ｉ−コア層での電圧降下が起こらない状況を避けるため、適切に選択する。例えば、バッファ層７８の厚さが大きすぎると、ほとんどの電圧降下がバッファ層内だけで生じて、ｉ−コア層で電界が印加されない。したがって、光が電極金属に吸収されてしまうことを考慮しつつ、バッファ層７８の厚さを薄くするのが好ましい。

２つのＭＺアーム導波路のｉ−コア層８０ａ、８０ｂには、信号電極（コプレーナ線路７２）によってそれぞれ逆方向の電界が印加される。すなわち、容量付加電極７５ａと接地電極７１ａとの間の電界と、容量付加電極７５ｂと接地電極７１ｂとの間の電界とは、互いに正反対の向きを持つ。このため、例えば、ｉ−コア層８０ａ、８０ｂにおける電界方向に従って屈折率の増減が変化する電気光学効果（ポッケルス効果）によってＭＺ光変調器として駆動させることで、単一電極（電極Ａコプレーナ線路７２）によるプッシュ・プル変調動作（ゼロチャープ駆動）が可能となる。

このように本発明によれば、ＩｎＰ（１１０）面基板上にＧ−Ｓ−Ｇ型の容量装荷型電極７５ａ、７５ｂを設けて、コプレーナ型ＭＺ光変調器を作製し、ポッケルス効果に起因した屈折率変化を用いて光変調動作を行うことで、単一電極駆動によるプッシュ・プル光変調が可能となる。

ここで基板８２の材料として、ＩｎＰ以外に、同構造を有する例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅを用いた場合においても、本発明特有の単一電極による簡単な構成および高速・広帯域動作などの特徴ならびに有用性は変わらない。また、本実施例においては、１．５５μｍ波長帯に対応する光変調素子を用いたが１．３μｍ波長帯に対応するものを用いても良い。また例えばＧａＡｓを用いれば、０．６〜１．３μｍ波長帯にも対応できる。

以上詳細に述べてきたように、本発明によって、ＭＺ光変調器をＧ−Ｓ−Ｇコプレーナ回路上の単一の電極のみによってプッシュ・プル動作させることができる。簡単な電極構造によって、電極配線の肥大化および複雑化の問題を解消する。さらに、高速・広帯域動作であって、かつ、高消光比でゼロチャープ駆動をすることのできる、高精度変調が可能な半導体光変調素子を実現できる。

ポッケルス効果に起因した屈折率変化を利用して、変調の非線形性の問題を解消する。デジタルコヒーレント通信で期待される１６ＱＡＭや６４ＱＡＭなどの高精度な光変調が要求される高密度直交変調等を実現することができる。従来技術で多値化された変調方式に対応する直交変調器として用いられてきたＬＮ光変調器と同程度の高消光比および低チャープ動作等を維持しながら、ＬＮ光変調器以上に、より小型で低ドリフト・高速動作可能な半導体光変調素子を提供することができる。

本発明は、光通信システムに利用することができる。特に、半導体光変調素子に利用することができる。

１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、２１ａ、２２ａ ＲＦ信号電極
２、３、２３、２４ マッハチェンダ干渉計
１０、２０、４０、６０、７０ 半導体光変調器
２１ｂ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ、６２ａ、６２ｂ、７１ａ、７１ｂ 接地電極
４１、６１ 信号電極
４３、６３ ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４４ａ、４４ｂ、６４ａ、６４ｂ、８０ａ、８０ｂ コア層
４６、６６ ｎ型ＩｎＰ層
４７、６７、８２ 半絶縁性ＩｎＰ基板
４８ａ、４８ｂ、６８ａ、６８ｂ、７７ａ、７７ｂ ＭＭＩカプラ
６５ ｐ型ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層
６９ ｐ型ＩｎＰクラッド層
７２ コプレーナ線路
７５ａ、７５ｂ 容量付加電極

Claims (8)

1. 閃亜鉛鉱形半導体結晶基板の（１１０）面と等価な基板上の
   

   

   
   に形成されたアーム導波路を有する少なくとも１つのマッハ・ツェンダー（ＭＺ）干渉計を含む光変調素子において、
   前記アーム導波路のコアに屈折率変化を生じさせる単一の信号電極を備えたことを特徴とする半導体光変調素子。
2. 前記信号電極によって電界が加えられる電界印加領域の半導体コア層は、絶縁または半絶縁性であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
3. 前記信号電極によって電界が加えられる電界印加領域の半導体コア層は、
   少なくとも第１のｎ型クラッド層および第２のｎ型クラッド層によって埋め込まれているか、または、
   少なくともｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によって埋め込まれていること
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
4. 前記単一の電極は、前記ＭＺ干渉計の２つのアーム導波路の内側に形成されたコプレーナ線路であって、前記基板面上で、前記コア層を挟んで接地電極と対向しており、
   前記コアは、前記コプレーナ線路の電極と前記接地電極との間に、前記コア層を囲むように形成された絶縁バッファ層を備え、前記バッファ層を介して前記単一の電極および前記接地電極と接続されていること
   を特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
5. 前記単一の電極は、進行波型電極に集中定数型電極を付加した容量装荷型電極構造であることを特徴とする請求項４に記載の半導体光変調素子。
6. 前記単一の信号電極は、並走する前記アーム導波路の中央部に配置され、前記アーム導波路の両側に配置された２つの接地電極とともにグランド−シグナル−グランド（Ｇ−Ｓ−Ｇ）コプレーナ型導波路を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光変調素子。
7. 前記単一の電極および前記アース電極によって、プッシュ・プル変調駆動されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の半導体光変調素子。
8. 前記コアは、積層方向の高さよりも、前記基板に平行な水平方向の幅の方が大きい構成であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の半導体光変調素子。

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